NHK高校講座

ベーシックサイエンス

Eテレ 毎週 木曜日 午前10:50〜11:00
※この番組は、前年度の再放送です。

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今回の学習

第9回

コップのタワーの大回転 〜遠心力〜

  • 科学監修:東京理科大学教授 川村 康文
学習ポイント学習ポイント

コップのタワーの大回転 〜遠心力〜

  • 何の力?なぜ水はこぼれない?
  • 遠心力でこぼれない?

今回のテーマは「遠心力」です。

水の入ったバケツを傾けると、中の水はこぼれます。
しかし、バケツを振り回して同じくらい傾けても、水はこぼれません。
なぜ水はこぼれないのでしょうか。


藤本 「キュピトロンの3人は、水がこぼれないのはどうしてだと思いますか?」

里奈 「えっ、これは知ってますよね。遠心力でこぼれない。」

藤本 「そう。遠心力なんです。バケツを振り回すと外側に向かって、遠心力が生まれます。バケツが傾いても水がこぼれないのは、遠心力によって水が外側に押しつけられているからなんですね 。」

遠心力発生実験
  • お盆をひもで吊す
  • お盆を回すキュピトロン

ここで、キュピトロンの3人が、遠心力を発生させるゲームに挑戦しました。

ひもで吊るしたお盆の上にコップが乗っています。
3人はそれぞれ両手でお盆を吊るしているひもを持ち、水をこぼさないように、自身を軸にして回転します。

最初は真下にあるお盆が、回転するにつれ傾いていきます。
誰が一番傾きを急にできるのか、つまり 「誰が一番強い遠心力を発生させられるか」 を競います。
制限時間は15秒です。

実際に実験を行い、最も強い遠心力を発生させたのは、二千翔ちゃんでした。


藤本 「実験で分かるのは、二千翔ちゃんは、回転するのがとても速かったんですよね。回転させる速度が速いほど強い遠心力が発生する、ということなんですね。」

コップタワーの大回転
  • 実験装置
  • 10段のコップタワー

今度は、水を入れたコップを何段も重ねて回転させるとどうなるか、実験しました。

高さ5mの柱にアームと台を設置し、左写真のような回転装置を作ります。
次に、台の上にコップ124個を積み上げ、10段のコップタワーを完成させました。
コップタワーは、高さ1.5m、重さ86kgです。

  • 回転する10段のコップタワー
  • 10段のコップタワーアップ
  • 回転率を上げるコップタワー

実験装置を回転させます。
コップの中の水は揺れていますが、しっかり台に押しつけられています。
10段のコップタワーの実験は成功しました。

それでは、もっと高くコップを積んだ場合はどうなるでしょうか。

  • 20段のコップタワー
  • 回転する20段のコップタワー

装置を組み直し、今度は20段のコップタワーを作って実験しました。
コップタワーは高さ3m、重さ123kgです。

  • 上段のコップが落ちる
  • 外向きの力が上にいくほど薄れていって倒れちゃったのかな

装置が回転を始め、回転スピードが徐々に速くなっていきます。
しばらくコップは安定していましたが、やがて上の段のコップが滑り落ちてしまいました。

なぜ、下の段のコップはそのままで、上の段のコップが滑り落ちてしまったのでしょうか。


彩加 「外向きの力が、上の段にいくほど、薄れていって倒れちゃったのかな。」

田畑 「外向きっていうのは、遠心力ということ?」

彩加 「上にいくほど、踏ん張る力が踏ん張れなくなってくずれちゃった……。」

遠心力の性質
  • 装置の説明
  • バネの長さと遠心力

ここで、ガリレオ先生こと、川村康文先生(東京理科大学教授)に詳しく解説していただきました。

円盤の中に、赤い重りがついたバネが2つあります。
一方は中心から近い位置に、もう一方は中心から遠い位置に重りがあります。
円盤を回転させたときのバネの伸びは、遠心力の強さを表します。

バネについたオレンジ色の点に注目してみると、円盤を回転させたとき、中心から近い位置に重りをつけた方がバネの伸びが小さいことが分かります。
つまり、中心から半径の短い方が、遠心力が小さい ということです。


川村先生 「先ほどの実験で、10段と20段のタワーがありました。20段のタワーの方が、先端がどうしても中心に近づきますよね。すると半径が小さくなって、遠心力が小さくなってしまう。それで重力に負けて滑り落ちてしまったんです。」

  • コップタワーと遠心力
  • スタジオ風景

先ほどのコップのタワーの先端を中心軸から見ると10段よりも20段の方が、半径が短いことが分かります。
つまり、その分 遠心力が小さくなってしまったのでした。


田畑 「彩加ちゃんのさっきの考え方、いい線まで行ってたね。」

川村先生 「 “回転の中心からの半径”、ここがポイントだったんですね。」


最後に、二千翔ちゃんが、コップ2段で遠心力発生実験に挑戦しました。
二千翔ちゃんは勢いよく回転し、見事大成功です!!

それでは次回もお楽しみに〜!

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